5.3 Blocos de Código
5.3.4 Programa de Visão
Durante a realização dos ensaios de flexão, como mencionado anteriormente, o utilizador pode escolher acompanhar o ensaio com recolha automática de imagem, onde a webcam fixa num tripé tira fotos, em intervalos determinados pelo número de imagens e pela distância da viagem do travessão.
O subprograma responsável pelo tratamento de imagem, representado pela figura 5.13, está inserido num “SubVI” (Bloco funcional do programa LabVIEW que representa uma subrotina com um conjunto de funções próprias).
Figura 5.13: Subprograma para análise de ângulos.
Este subprograma pode ser divido em cinco partes:
1. Abertura de sessão da câmara e alocação de uma memória local para a imagem;
2. Reprodução da imagem no ecrã, seguida do envio para o “Vision Assistant”, representado pela figura5.14, onde existe o processamento da imagem;
3. Encerramento da sessão da câmara;
4. Validação do processamento de imagem com verificação por parte do utilizador das retas traçadas sobre as abas dos provetes e do ângulo medido;
5. Envio dos resultados para o programa principal.
O “Vision Assistant” no processamento da imagem é programado para que sobre a imagem original se realizem as seguintes etapas:
1. Substituição da cor do plano de fundo por uma escala de cinza;
2. Análise de regiões em forma de quarto de círculo, representadas a verde, para encontrar as arestas das abas dos provetes, representadas a vermelho;
5.3 Blocos de Código 53
3. Utilização de uma ferramenta de medida virtual “Caliper” para determinar o ângulo entre as arestas definidas.
Figura 5.14: Processamento de Imagem no Vision Assistant para determinação de ângulos.
De forma semelhante, foi realizado um programa opcional para determinar a extensão nominal apresentada pelos provetes durante o ensaio de tração.
Para o correto funcionamento deste programa os provetes devem apenas ter indicado na zona útil as duas linhas entre as quais a medição deve ser feita, como demonstrado na figura5.15.
Durante a realização dos ensaios de tração existe, então, a possibilidade de recolher imagens da zona útil do provete, periodicamente (de acordo com a taxa de aquisição definida e não superior ao número máximo de fps da câmara), através da câmara do smartphone. Após terminar o ensaio, o “Vision Assistant” processa as imagens conforme as seguintes etapas:
1. Substituição da cor do plano de fundo por uma escala de cinza;
2. Análise de regiões em forma de retângulo, representadas a verde, para encontrar as linhas iniciais, representadas a vermelho;
3. Utilização de uma ferramenta de medida virtual “Caliper” para determinação da distância entre os pontos médios de cada uma das retas.
Figura 5.15: a) Provete com grelha desenhada; b) Processamento de imagem no Vision Assistant para determinação de deformações.
Através do sistema de visão a medida da distância entre os pontos médios de cada um dos extremos tem uma resolução de 0,053 mm/pixel, calculada na equação5.1.
Resolução do Sistema de Visão = Distância entre Extremos Número de pixels do Intervalo=
60mm
1141pixels= 0, 053 mm/pixel (5.1)
Capítulo 6
Resultados Experimentais
Este capítulo tem como principal objetivo a comparação de resultados de ensaios entre duas máquinas universais, a Instron 4466 e a MTS 793, e a validação de ensaios realizados por software de análise numérica. Assim, procedeu-se à execução dos diferentes tipos de ensaio: ensaio de tração, ensaio de flexão e ensaio cíclico. Para cada um dos casos, apresentam-se os resultados obtidos experimentalmente e numericamente com a exposição de gráficos e tabelas.
6.1
Ensaio de Tração
Tal como referido no capítulo anterior, antes de se proceder a qualquer tipo de ensaio é ne- cessário inserir os dados do material a ensaiar, onde estão incluídas as dimensões do provete. Este passo é de extrema importância, uma vez que sem ele a análise do gráfico Tensão Nominal- Extensão Nominal e de todos os parâmetros a si associados é impossível.
Assim foram ensaiados dois materiais distintos e comparados resultados obtidos experimen- talmente com ensaios realizados na MTS 793, como representado na figura6.1, e com o código de elementos finitos Abaqus [25].
Uma vez que se tratam de provetes normalizados, as suas dimensões são semelhantes às apre- sentadas na tabela6.1.
Tabela 6.1: Descrição dos provetes do ensaio de tração.
Caraterísticas Dimensionais dos Provetes Alumínio AA5754 DP 780 Comprimento Inicial do Provete (L0) 25 mm 25 mm
Largura Inicial do Provete (a0) 12,5 mm 12,5 mm
Espessura Inicial do Provete (b0) 1 mm 0,8 mm
Com a nova interface do utilizador é possível escolher a utilização do extensómetro, o que possibilita uma maior taxa de aquisição e resolução.
De realçar que os dois ensaios foram realizados com recurso ao extensómetro, apresentado em
4.1.2, à velocidade de 10 mm/min. Ao longo do ensaio foi possível acompanhar a performance do 55
Figura 6.1: Comparação das curvas de engenharia para o alumínio AA5754 obtidas pela Instron 4466 e pela MTS 793.
material através da construção sucessiva, ao longo do tempo, da curva Força-Deslocamento como demonstrado na figura6.2.
6.1 Ensaio de Tração 57
Para efeitos de comparação com resultados numéricos foram realizados ensaios com os mes- mos parâmetros (dimensões e propriedades), com a modelação numérica representada na figura
6.3. Depois de tratados com auxílio do Matlab, os resultados obtidos são apresentados nas figuras
6.4e6.5.
Figura 6.3: a) Perfil do modelo utilizado para a modelação numérica; b) Modelação numérica do alumínio AA5754 em Abaqus.
Figura 6.4: Evolução da curva de engenharia para valores experimentais e numéricos do alumínio AA5754.
Figura 6.5: Evolução da curva de engenharia para valores experimentais e numéricos do aço DP 780.
6.2
Ensaio de Flexão
O ensaio em análise foi proposto num congresso denominado por Numisheet em 2002 [26]. Consiste em avaliar o fenómeno, já introduzido no capítulo2.2.3, do ângulo de retorno elástico com auxílio a diferentes leis constitutivas.
A geometria das ferramentas utilizadas nos ensaios experimentais é apresentada na figura6.6.
Figura 6.6: Geometria do punção e da matriz do ensaio UCB - Unconstrained Cylindrical Bending [8].
Este ensaio divide-se em duas partes: a primeira fase carateriza-se pelo carregamento do pro- vete, onde o punção força o provete a entrar na matriz até à posição final de curso, sem que ocorra
6.2 Ensaio de Flexão 59
esmagamento, e a segunda fase onde o punção retrocede libertando a chapa. Assim foram ensaiados três materiais distintos, descritos na tabela6.2.
Tabela 6.2: Descrição dos provetes do ensaio de flexão.
Caraterísticas Dimensionais dos Provetes Alumínio AA5754 DP 780 HSLA 420 Comprimento Inicial do Provete (l) 120 mm 120 mm 120 mm
Largura Inicial do Provete (w) 30 mm 30 mm 10 mm Espessura Inicial do Provete (t) 1 mm 0,8 mm 1,5 mm
Para validação do sistema de visão no cálculo dos ângulos dos provetes, com uma suta, como representado na figura6.7, foram medidos os ângulos e comparadas as diferenças na tabela6.3.
Figura 6.7: Medição do ângulo do Alumínio AA5754 com uma suta.
Tabela 6.3: Análise e comparação dos ângulos medidos com o sistema de visão e com a suta. Material Tipo de Resultado θs[◦] Erro [%]
Alumínio AA5754 Sistema de Visão 60,0 0
Suta 60
DP 780 Sistema de Visão 87,6 1,6
Suta 89
HSLA 420 Sistema de Visão 79,7 0,4
Suta 80
Para efeitos de comparação numérica foram realizados ensaios com os mesmos parâmetros (dimensões e propriedades) no código numérico PampStamp, com o modelo representado na figura
6.8.
A comparação das curvas Força-Deslocamento para cada um dos ensaios foi feita em Ma- tlab, como mostram as figuras6.9,6.10 e6.11. O ângulo de retorno elástico é calculado tanto experimental como numericamente e analisado na tabela6.4.
Figura 6.8: Modelo UCB da simulação numérica em PampStamp [27].
Figura 6.9: Evolução da curva força-deslocamento para valores experimentais e numéricos do alumínio AA5745.
Figura 6.10: Evolução da curva força-deslocamento para valores experimentais e numéricos do aço DP 780.
6.2 Ensaio de Flexão 61
Figura 6.11: Evolução da curva força-deslocamento para valores experimentais e numéricos do HSLA 420.
Tabela 6.4: Análise e comparação de resultados dos ensaios de flexão numéricos e experimentais. Material Tipo de Resultado θf [◦] θs[◦] ∆θ [◦] Erro [%]
Alumínio AA5754 Experimental 38,9 60,0 21,1 6,2 Numérico 44,3 64,1 19,9
DP 780 Experimental 43,0 87,6 44,6 15,3 Numérico 45,0 83,7 38,7
HSLA 420 Experimental 60,5 79,7 19,2 2,9 Numérico 62,8 81,4 18,6
Experimentalmente, como já referido, o ângulo de retorno elástico é determinado pelo sistema de visão. No presente ensaio, a saída de resultados da análise de imagem pode ser observada na figura6.12, para o caso do Alumínio AA5754.
Figura 6.12: Análise das imagens com os valores dos ângulos antes e depois do retorno elástico do alumínio AA5754.
6.3
Ensaio Cíclico
Embora este ensaio se denomine de cíclico é importante referir que não se trata de um ensaio de fadiga, visto que o elemento de acionamento é um fuso de esferas com baixa resistência à fadiga (tempo de vida útil reduzido comparado com fusos próprios para ensaios de fadiga).
Neste ensaio pretendeu-se estudar a força de encaixe e desencaixe da cabeça do parafuso numa cápsula com representação esquemática na figura6.13.
Figura 6.13: Representação esquemática da montagem parafuso-cápsula.
O modelo numérico desta montagem foi realizado em Abaqus. Depois de analisadas as curvas entre o ensaio numérico e o experimental em Matlab, figura6.14, foram calculados os erros entre os picos apresentados na tabela6.5.
Figura 6.14: Evolução da força com o número de ciclos para valores numéricos e experimentais da montagem parafuso-cápsula.
6.3 Ensaio Cíclico 63
Tabela 6.5: Análise e comparação de resultados do ensaio cíclico. Ciclo Tipo de resultado Força de
Desencaixe [N] Erro [%] Força de Encaixe [N] Erro [%] 1 Experimental 18,34 5,3 -6,28 10,5 Numérico 17,36 -5,62 2 Experimental 14,42 -9,8 -5,48 30,7 Numérico 15,83 -7,16 3 Experimental 13,62 -16,7 / / Numérico 15,89 /
Apesar dos erros relativos entre ensaios aparentarem ser consideráveis, é importante denotar que os valores de força testados são de ordem três vezes inferior à capacidade de carga nominal do sistema.
Considerações Finais
7.1
Conclusões
Na presente dissertação procedeu-se à automatização de uma máquina universal de ensaios, Instron 4466, doada pela empresa Continental - Indústria Têxtil do Ave, S.A. à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, que se encontrava fora de uso por motivos de deprecia- ção tecnológica. Aliado ao desejo de ter a máquina universal existente no DEMec operacional, decidiu-se avançar com a atualização tecnológica do equipamento de forma a facultar mais um recurso aos estudantes e à comunidade de investigação da FEUP.
Numa primeira fase do trabalho, fez-se uma pesquisa alargada sobre os ensaios mecânicos capazes de se realizarem na máquina. Foram também referidas as variáveis a ter conta em cada um dos ensaios, o princípio de funcionamento do software utilizado para programação da interface e os métodos de análise de imagem utilizados para formulação dos programas de visão.
Após esta pesquisa, realizou-se o estudo prévio da máquina. Foi dada especial atenção à cara- terização do seu funcionamento, ao sistema de comando em vigor e às limitações a que esta estava sujeita. Assim, foi feito o estudo de aspetos fundamentais do modelo Instron 4466, tais como o intervalo de velocidades do travessão, cursos de trabalho, capacidades de carga e especificações elétricas. Entre os principais obstáculos a serem ultrapassados estavam incluídas as limitações de carga proporcionada pela célula de carga existente, a impossibilidade de aquisição de dados e a dificuldade de comunicação e adaptações permitidas pelo sistema máquina. Esta análise permi- tiu compreender melhor o comportamento da máquina e definir como e o que acrescentar para possibilitar a realização de ensaios.
Concluída a análise prévia do sistema, passou-se à definição do projeto de automação. Desta forma, começou-se por fazer a seleção dos componentes de instrumentação, interfaces para o comando e outros componentes para adaptação mecânica dos novos elementos. Relativamente à instrumentação, foi escolhida uma nova célula de carga da HBM, que satisfaz a capacidade máxima de carga da máquina (10 kN), e um amplificador para condicionamento do sinal calibrado pela própria HBM. Para os ensaios uniaxiais também se dispôs de um extensómetro da Epsilon de modo a obter medidas de deformação com maior resolução e maior taxa de aquisição. Para o
7.2 Trabalhos Futuros 65
comando da máquina de ensaios, foi necessária uma interface que ligasse o portátil à consola de comandos, compatível com LabVIEW: o cabo GPIB-B-USB. Por sua vez, as funções e ordens de movimento são controladas através do computador portátil, recorrendo ao software LabVIEW. Os sinais, força e deslocamento (no caso da existência de extensómetro), são recebidos pela placa de aquisição de dados NI USB-6218.
As variáveis a medir ao longo de ensaios são, tendencialmente, a força e o deslocamento do provete e/ou o ângulo entre abas no caso do ensaio de flexão. Assim, definiu-se que a medição da força fosse feita através dos sinais de saída da célula de carga e o alongamento do provete realizado a partir da leitura do encoder, enviada pela própria máquina; da leitura do extensómetro; ou por video-extensometria. O ângulo entre abas é calculado com recurso ao programa de visão específico dos ensaios de flexão.
Com o intuito de utilizar a máquina de forma correta e efetuar os ensaios pretendidos de uma forma simples e clara, foi desenvolvida uma interface gráfica em LabVIEW. A partir desta, o uti- lizador pode definir a configuração de ligações utilizadas e ajustar o travessão da máquina. Na secção de ensaios, pode ainda inserir todos os parâmetros de ensaio e acompanhar a performance do material com visualização do gráfico Força-Deslocamento com gravação de dados num docu- mento.
Na fase final, já com todas as alterações implementadas, foi possível testar a máquina e exe- cutar ensaios de tração, flexão e cíclicos e, através da comparação de dados obtidos com dados dos mesmos materiais realizados em máquinas certificadas, validar a requalificação tecnológica. De referir ainda que quando se compararam diretamente os resultados obtidos na Instron 4466 com os resultados obtidos por métodos numéricos (modelos realizados em software de análise de elementos finitos) verificou-se uma boa correlação, o que permitiu validar as simulações testadas. A realização deste projeto foi uma experiência gratificante, que incentivou a oportunidade de integrar todo o conhecimento e sabedoria adquiridos ao longo dos cinco anos de faculdade. Foi re- alizado um trabalho autónomo que envolveu trabalhar pela primeira vez com software LabVIEW e aplicar conceitos teóricos como os módulos de visão e comunicações com protocolos que inici- almente eram desconhecidos. Consideram-se que todos os desafios foram ultrapassados, mesmo com ausência de assistência do fabricante da máquina, e que a máquina está, agora, apta para serviço.
7.2
Trabalhos Futuros
Após a avaliação do presente sistema as principais propostas de trabalhos futuros assentam na possibilidade de melhorar e alargar as capacidades da máquina.
Assim, quanto à interface do utilizador, sugere-se que se crie um ecrã adicional para efeitos de manutenção, com login obrigatório, onde a alteração de variáveis relacionada com a caraterização da célula de carga e/ou do extensómetro fosse possível, de modo a possibilitar a mudança de transdutores sempre que necessário. Na secção de ensaios seria interessante existir um botão com hiperligação direta para uma janela adicional, onde a informação relativa aos dados de ensaio
estivesse acessível (visualização do relatório de ensaios no próprio programa) juntamente com variáveis em estudo automaticamente calculadas.
Seria interessante a aquisição de garras para realização de ensaios de compressão e a subs- tituição das garras atuais dos ensaios de tração por umas que garantissem melhor fixação sem pré-tensionamentos no aperto.
O código do sistema que diz respeito à aquisição de dados deve ser melhorado de maneira a diminuir o tempo de ciclo e, assim, aumentar as taxas de aquisição. Nesta melhoria deve ser in- cluída uma alternativa para leitura do encoder da máquina, visto que, de momento, esta é realizada por comunicação GPIB, o que obriga a um tempo de leitura e escrita mínimo de 50 ms (frequência de 20 Hz), enquanto que se apenas dependesse da placa de aquisição a frequência poderia chegar aos 250 kHz (valor máximo).
Quanto à caraterização do extensómetro sugere-se que se realize uma nova calibração num laboratório acreditado, que garanta a classe de precisão do equipamento.
O sistema de visão pode ser melhorado de duas formas: Primeiro, com a criação de uma estru- tura rígida onde possam ser fixadas e ajustadas as duas câmaras previstas para video-extensometria e análise de ângulos, com a possibilidade de instalação de elementos para iluminação das áreas de ensaio. Em segundo lugar, através do desenvolvimento do software de análise de imagem para ob- tenção de maior resolução, utilizando técnicas como uma maior ampliação na captura das imagens (causando, em contrapartida, a redução da área de trabalho) e a implementação de algoritmos de DIC que permitam resoluções inferiores a um pixel (sub-pixel) [28].
Para acreditação da máquina deveria ser realizada a determinação de incertezas de todos os seus componentes.
Por fim, numa ótica de integrar o sistema num ambiente de indústria 4.0, propõe-se criar uma aplicação de envio de dados dos ensaios para uma nuvem (“cloud”) com o intuito de partilhar conteúdo com todos os seus utilizadores e permitir a aplicação de sistemas de informação.
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de Imagem para Avaliação de Grandes Deformações. Tese de Mestrado - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2017.
Anexo A
Anexos
A.1
Esquemas Elétricos
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A.1 Esquemas Elétricos 71
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P R O D U C E D B Y A N A U T O D E S K S T U D E N T V E R S IO N PR OD UC ED B Y A N A UT OD ES K S TU DE NT V ER SIO N P R O D U C E D B Y A N A U T O D E S K S T U D E N T V E R S IO N